[科普中國(guó)]-熱自燃

簡(jiǎn)介

熱自燃有時(shí)也稱(chēng)為熱爆炸，它是關(guān)于放熱化學(xué)反應(yīng)和放熱系統(tǒng)的熱“自動(dòng)”點(diǎn)火理論。19世紀(jì)末和20世紀(jì)初，人們逐步認(rèn)識(shí)到氣體（或其他物質(zhì)）的燃燒和火焰的成因是由于熱的不平衡而產(chǎn)生的，比較引人注目的觀點(diǎn)是Van’tHoff在1884年發(fā)表的觀點(diǎn)，即熱自燃只有在反應(yīng)放出的熱和向周?chē)l(fā)的熱不能維持平衡時(shí)才能發(fā)生。但遺憾的是他只認(rèn)識(shí)到熱平衡的破壞，并沒(méi)有進(jìn)一步地提到臨界條件，即從熱平衡到熱不平衡的界限問(wèn)題。后來(lái)C.Taffand、J.Lefloch和F.Clilgenroth在文獻(xiàn)中提出了“熱圖”，熱圖把熱生成速度及熱損失速度的關(guān)系通過(guò)這兩者隨溫度變化的曲線(xiàn)來(lái)表示，他們用曲線(xiàn)的相切點(diǎn)表示熱自燃的臨界點(diǎn)。

對(duì)熱自燃理論有著重要貢獻(xiàn)的是前蘇聯(lián)著名科學(xué)家Semenov。他通過(guò)對(duì)熱圖的分析，聯(lián)系切點(diǎn)的數(shù)學(xué)表達(dá)式，推導(dǎo)了熱爆炸界限的定量判據(jù)，首次從理論上提出了定量的熱自燃判別準(zhǔn)則，這就使得熱自燃理論一開(kāi)始就被應(yīng)用于許多反應(yīng)系統(tǒng)的研究中，雖然Semenov熱自燃理論初始是用來(lái)說(shuō)明容器中氣體燃料與空氣組成的可燃混合氣體的熱著火過(guò)程的，但Semenov的熱自燃理論不僅適用于可燃性氣體，而且也適用于某些凝聚相物質(zhì)。這些凝聚相物質(zhì)包括爆炸性的（炸藥、火藥）和非爆炸性的液體和固體系統(tǒng)。

Semenov系統(tǒng)Semenov所建立的系統(tǒng)是熱自燃理論所研究的最簡(jiǎn)單的系統(tǒng)。Semenov系統(tǒng)認(rèn)為，反應(yīng)物系統(tǒng)是個(gè)溫度均勻分布的放熱系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱(chēng)均溫系統(tǒng)。所謂均溫系統(tǒng)，就是系統(tǒng)中的溫度不隨空問(wèn)位置的變化而變化。其模型中表示反應(yīng)物內(nèi)部沒(méi)有溫度梯度，各處溫度均為T(mén)，且系統(tǒng)溫度T大于環(huán)境溫度。系統(tǒng)溫度和環(huán)境溫度在邊界處有個(gè)溫度突躍，被稱(chēng)為Semenov系統(tǒng)的邊界條件。

但必須指出的是所建立的Semenov系統(tǒng)是個(gè)理想化的系統(tǒng)，系統(tǒng)中所指的溫度，僅僅是一個(gè)平均意義上的概念。在實(shí)際反應(yīng)過(guò)程中，要達(dá)到Semenov系統(tǒng)所提出的各點(diǎn)溫度均勻是很難實(shí)現(xiàn)的，要接近Semenov的假設(shè)，則必須要有盡可能小的直徑，強(qiáng)烈的對(duì)流，很高的導(dǎo)熱系數(shù)，且系統(tǒng)與環(huán)境的傳熱系數(shù)必須低。但是由于Semenov處理的問(wèn)題比較簡(jiǎn)單，較易被接受，眾多科學(xué)家都對(duì)Semenov提出的模型進(jìn)行了研究，并且證實(shí)不少實(shí)際系統(tǒng)可用這種均溫系統(tǒng)近似地代替。如充分?jǐn)嚢璧囊簯B(tài)反應(yīng)，被氣體環(huán)境包圍的固體炸藥顆粒等。2

物理模型操作方法設(shè)有一個(gè)容器，體積為V，表面積為F，內(nèi)部充滿(mǎn)可燃預(yù)混氣體。為分析方便，作如下簡(jiǎn)化假設(shè)：

（1） 環(huán)境溫度為T(mén)0，反應(yīng)過(guò)程中混氣的瞬間溫度為T(mén)，開(kāi)始時(shí)混氣溫度與環(huán)境溫度相同；

（2） 容器的壁溫在開(kāi)始時(shí)與環(huán)境溫度T0相同，反應(yīng)過(guò)程中，壁溫升高，與混氣溫度相同；

（3） 反應(yīng)過(guò)程中，容器內(nèi)既無(wú)自然對(duì)流，也無(wú)強(qiáng)迫對(duì)流，容器內(nèi)各點(diǎn)的溫度、濃度相同；

（4） 著火前反應(yīng)物濃度變化很小，近似認(rèn)為不變；

（5） 環(huán)境與容器之間有對(duì)流換熱，對(duì)流換熱系數(shù)，它不隨溫度變化。3